專利名稱：雙基陣數(shù)據(jù)融合電站鍋爐四管泄漏被動聲測定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鍋爐承壓管泄漏監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種雙基陣數(shù)據(jù)融合電站鍋 爐四管泄漏被動聲測定位方法。
背景技術(shù)：
火力發(fā)電機組的鍋爐四管包括水冷壁、過熱器、再熱器和省煤器受熱面管道。鍋 爐四管泄漏一直是困擾火電機組安全生產(chǎn)的一大難題，進行鍋爐四管爆管早期預(yù)報，在其 還未發(fā)展成為破壞性爆漏之前及時發(fā)現(xiàn)泄漏，并確定泄漏點的位置。對于妥善安排停爐、縮 短檢修時間、減少經(jīng)濟損失有重大意義。目前，國內(nèi)外(參見專利"Acoustic Leak Detection System，，，US4960079、“鍋爐 承壓管泄漏在線監(jiān)測儀”，CN2253829)爐管泄漏檢測裝置采用大量布置測點覆蓋鍋爐受熱 面，在濾掉鍋爐背景噪聲后檢測泄漏聲的聲壓級大小和泄漏聲的頻譜特征對泄漏是否發(fā)生 加以診斷。若某測點發(fā)生報警，則確定泄漏源位于該測點為圓心，10米為半徑的半球空間 內(nèi)，所以裝置的主要作用還是判斷泄漏并確定泄露的受熱面，并不能定位到具體的管排上。 對于泄漏孔徑1 4mm，檢修任務(wù)則往往需要花費大量的人力和時間，其面臨的重大技術(shù)難 題是解決泄漏源的精確定位問題。通過將傳聲器組成陣列接收泄漏信號，經(jīng)過對聲信號的互相關(guān)處理得出聲音到達 不同位置傳聲器的時間差，再根據(jù)目標與基元位置之間的幾何關(guān)系可以確定出其泄漏位 置。但是單個聲學(xué)基陣的探測范圍小、精度低，特別是其定距誤差很大，有時幾乎無法實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目在于提供一種雙基陣數(shù)據(jù)融合電站鍋爐四管泄漏被動聲測定位方 法，實現(xiàn)電站鍋爐四管泄漏的精確定位。技術(shù)方方案是一種雙基陣數(shù)據(jù)融合電站鍋爐四管泄漏被動聲測定位方法，其特 征是所述方法包括下列步驟步驟1 在鍋爐內(nèi)布置由多層測點組成的傳聲器陣列，相鄰兩層傳聲器陣列組成 雙基陣，每層傳聲器陣列由Mi、M2、M3和虬四元傳聲器構(gòu)成四元正四方陣；步驟2 根據(jù)傳聲器陣列測得的數(shù)據(jù)，計算泄漏位置對應(yīng)于四元正四方陣傳聲器 陣列的方位角和俯仰角；步驟3 利用計算得到的泄漏位置相鄰兩層的四元正四方陣傳聲器陣列的方位角 和俯仰角，求得兩組泄漏位置解和方差；步驟4 對所述兩組泄漏位置解和方差進行加權(quán)最小二乘法融合處理，得到雙基 陣數(shù)據(jù)融合的泄漏定位解。所述四元正四方陣傳聲器陣列的傳聲器包括緊固在傳聲器前面的前置放大器。所述計算泄漏位置對應(yīng)于四元正四方陣傳聲器陣列的方位角和俯仰角的具體方 法是
其中，口、θ、r分別表示泄漏位置的方位角、俯仰角和目標斜距；τ 表示傳聲器 Mi到Mj距泄漏源的時間遲延差，即Clij = SMi-SMj = c τ…(Iij表示傳聲器Mi到Mj距泄漏源 的距離差，i = 1,2,3,4, j = 1，2，3，4;S表示泄漏源，c為聲速，L為四元正四方陣的特征 尺寸。所述求得兩組泄漏位置解和方差的具體方法是 其中，X1, yi、Z1, θ i、奶、ri分別泄漏源在相鄰兩層的四元正四方陣傳聲器陣列中 的一層的直角坐標系和球坐標系位置；X2、y2> Z2, θ 2、朽、r2分別泄漏源在相鄰兩層的四元 正四方陣傳聲器陣列中的另一層的直角坐標系和球坐標系位置；σ表示相應(yīng)方差，0工表 示時間遲延估計測量誤差。所述對所述兩組泄漏位置解和方差進行加權(quán)最小二乘法融合處理的具體方法 是 其中，Ρ”Ρ2分別為泄漏定位解X1J2的方差，&全可
m)為kX k階矩陣，m為四元正四方陣傳聲器陣列的組數(shù)。本發(fā)明利用單四元正四方陣的方位角和俯仰角進行雙基地定位，其定位精度要高 于利用單四元正四方陣目標斜距、方位角進行雙基地定位和單四元正四方陣定位再雙基地 融合時的情況。


圖1是四元正四方陣傳聲器陣列在鍋爐內(nèi)分布圖；圖2是四元正四方陣傳聲器陣列結(jié)構(gòu)圖；圖3是雙基陣布陣與定位原理圖；圖4是鍋爐四管泄漏被動聲測定位系統(tǒng)拓撲圖；圖5是鍋爐四管泄漏被動聲測定位方法流程圖；圖6是鍋爐四管泄漏被動聲測TDOA估計圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，對優(yōu)選實施例作詳細說明。應(yīng)該強調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性 的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。圖1是四元正四方陣傳聲器陣列在鍋爐內(nèi)分布圖。在圖1中，采用 SG-1025/17. 5-M723型號的鍋爐，將鍋爐爐膛分為A、B、C、D、E、F層，共30個測點。根據(jù) 爐膛測點分布圖，任意兩個相鄰四元正四陣傳聲器陣列中心位置坐標為(XpyliOhO^y2, 0)，其中Y1 = y2。圖2是四元正四方陣傳聲器陣列結(jié)構(gòu)圖，在四元正四方陣傳聲器陣列中 采用球坐標，M1, M2, M3和M4四個傳聲器構(gòu)成的四元正四方陣傳聲器陣列；其中S表示泄漏源，Mp M2、M3、M4分別表示4個傳聲器，Clij表示傳聲器Mi到Mj距點聲源的距離差，即Clij = SMi-SMp圖3是雙基陣布陣與定位原理圖，雙基陣系統(tǒng)由相鄰的兩個四元正四陣傳聲器陣 列構(gòu)成，采用直角坐標。假設(shè)雙基陣系統(tǒng)中每個四元正四陣傳聲器陣列均可得到各自的目 標斜距、方位角和俯仰角，或其中的兩個參數(shù)，根據(jù)定位原理，能夠在上半空間定位的只有 下面三個子集子集1 (r1; r2，θ17 θ 2)，子集2(n《，《)，子集3(n《)、{r為θ)。對上面三 組子集進行分析不難看出，通過每個子集均可求得兩組定位解；為提高估計精度，應(yīng)對每個 子集的兩組解進行融合處理，最后給出每個子集經(jīng)過融合處理后的定位解。四元正四方陣傳聲器陣列的目標斜距、方位角和俯仰角誤差與時延估計誤差關(guān)系 為 其中，，σθτ，分別表示存在時間遲延誤差的單層四元正四方陣方位角，俯 仰角，目標斜距(泄漏源與基陣中心的距離)的誤差。由(1)式可以看出當時延估計誤差不變時，單基陣(單層四元正四方陣)目標斜 距估計誤差不僅與泄漏點的方位角和俯仰角有關(guān)，還與泄漏點目標斜距的平方呈正比，與 基陣的半徑平方呈反比，而方位角和俯仰角的估計誤差只與方位角和俯仰角有關(guān)，與泄漏 點目標斜距的變化沒有關(guān)系。因此在同樣的時延估計精度下利用單基陣(單層四元正四方 陣)方位角和俯仰角進行雙基陣定位時，其定位精度要高于利用單基陣目標斜距、方位角 進行雙基陣定位和單基陣定位再雙基陣融合時的情況，這是由于單基陣的斜距估計誤差造 成的。由于每個單基陣的參數(shù)估計誤差均具有上述特點，采用方差加權(quán)融合處理的雙基陣 定位方法，也不能消除單基陣斜距估計誤差對雙基陣定位的影響，這就造成了利用單基陣 方位角和俯仰角進行雙基陣定位時的優(yōu)勢。圖4是鍋爐四管泄漏被動聲測定位系統(tǒng)拓撲圖。傳聲器和緊固在傳聲器前面的 前置放大器分別采用英寸預(yù)極化駐極體測量傳聲器ΜΡ201 (靈敏度50mV/Pa)和ICP 前置放大器MA201。信號調(diào)理器提供用于傳感器的ICCP供電，并可對信號進行濾波與放 大。調(diào)節(jié)檔分三個1倍，10倍，100倍，BNC接頭，18V直流電源供電，調(diào)理后的信號通過68 針同軸接頭電纜與數(shù)據(jù)采集卡連接。采用LabVIEW軟件和NI PXI-6133采集卡，每通道 采樣速率最高可達3MS/s。設(shè)置采樣頻率為fs = 102400S/S。國內(nèi)某電廠8#鍋爐型號為 SG-1025/17. 5-M723，其結(jié)構(gòu)為深13. 64m、寬14. 022m、高74. 13m，設(shè)計四元陣列的特征尺寸 為12m?，F(xiàn)場蒸汽噴氣，蒸汽壓力為5 8. IMPa，孔徑為2mm得到ML (Maximum Likelihood, 極大似然)廣義互相關(guān)時間遲延估計(通道1、2)如圖5所示。在采樣點N = 426處檢測
到ML廣義互相關(guān)函數(shù)非常穩(wěn)定的尖銳峰值，計算 τij = fs/N。圖5是鍋爐四管泄漏被動聲測定位方法流程圖。圖5中，本發(fā)明的實施過程是
步驟1 如圖1所示，在鍋爐內(nèi)布置由多層測點組成的傳聲器陣列，相鄰兩層傳聲 器陣列組成雙基陣，每層傳聲器陣列由MpM2、M3和M4四元傳聲器構(gòu)成四元正四方陣。步驟2 根據(jù)傳聲器陣列測得的數(shù)據(jù)，計算泄漏位置對應(yīng)于四元正四方陣傳聲器 陣列的方位角和俯仰角。計算泄漏位置對應(yīng)于四元正四方陣傳聲器陣列的方位角和俯仰角的具體方法 是 其中4、θ、r分別表示泄漏位置的方位角、俯仰角和目標斜距；τ 表示傳聲器 Mi到Mj距泄漏源的時間遲延差，即Clij = SMi-SMj = c τ…(Iij表示傳聲器Mi到Mj距泄漏源 的距離差，i = 1,2,3,4, j = 1，2，3，4;5表示泄漏源，(為聲速丄為正四方陣的特征尺寸。步驟3 利用計算得到的泄漏位置相鄰兩層的四元正四方陣傳聲器陣列的方位角 和俯仰角，求得包含參數(shù)的,代和Q1, θ 2的兩組泄漏位置解和方差。求得包含參數(shù)約，約和θ” θ 2的兩組泄漏位置解和方差的具體方法是相鄰兩層
的四元正四方陣傳聲器陣列的方位角和俯仰角分別為 (φ1，θ1，θ2)為例以由上式得 對上式求微分，得雙基陣定位誤差方程 可得泄漏位置矢量為 泄漏位置誤差與測量誤差成線性關(guān)系，泄漏位置誤差dX Ν(0，σ 2)定位誤差協(xié) 方程矩陣為 式中 σ] =σθτ2 根據(jù)式⑴得 同理 其中，X1, yi、Z1, θ ^ppr1分別泄漏源在相鄰兩層的四元正四方陣傳聲器陣列中 的一層的直角坐標系和球坐標系位置；X2、Y2> Z2, θ 2、φτ、Γ2分別泄漏源在相鄰兩層的四元 正四方陣傳聲器陣列中的另一層的直角坐標系和球坐標系位置；σ表示相應(yīng)方差，0工表 示時間遲延估計測量誤差。假設(shè)四元正四方陣傳聲器陣列共有m組，設(shè)第j組測量子集對應(yīng)的目標位置及其 誤差分別為Xj和ClXj, (j = 1,2,…m)，則m個測量子集對應(yīng)的目標位置矢量與誤差之間的 關(guān)系可表示如下X = HX+ V式中 H = [I1,…，IJt
其中IiG = 1，2，-,m)為與矢量X同維的單位矩陣；V N(0，B)，B為kmXkm階矩陣，k為目標位置矢量的維數(shù)。
‘(VClCiX1l CiXlCiX72 … Χλ ΧτηΛ Hb,Xxm
階矩陣。故m組測量子集對應(yīng)的目標位置數(shù)據(jù)采用WLS算法進行線性組合后，得到的目標 位置估計值及其誤差協(xié)方差矩陣分別為 令5-1 蘭G = [Gy]mxm 若m組測量子集之間不相關(guān)，且不考慮基陣尺寸誤差的影響，即 步驟4 對相鄰兩組泄漏位置解和方差進行加權(quán)最小二乘法融合處理，得到雙基 陣數(shù)據(jù)融合的泄漏定位解。其具體方法是 其中，卩”己分別為泄漏定位解&^的方差，召^呀觀乂^！，⑴j = 1,2,…， m)為kX k階矩陣，m為四元正四方陣傳聲器陣列的組數(shù)。圖6是鍋爐四管泄漏被動聲測TDOA估計圖。其中，(a)和(b)為通道峰值顯示圖， (c)為全互相關(guān)圖，(d)為半互相關(guān)圖。圖6表明ML(最大似然)時間遲延估計能夠取得穩(wěn)定和尖銳的峰值，從而利用雙基陣數(shù)據(jù)融合算法進行定位。 以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護范圍 為準。
權(quán)利要求
一種雙基陣數(shù)據(jù)融合電站鍋爐四管泄漏被動聲測定位方法，其特征是所述方法包括下列步驟步驟1在鍋爐內(nèi)布置由多層測點組成的傳聲器陣列，相鄰兩層傳聲器陣列組成雙基陣，每層傳聲器陣列由M1、M2、M3和M4四元傳聲器構(gòu)成四元正四方陣；步驟2根據(jù)傳聲器陣列測得的數(shù)據(jù)，計算泄漏位置對應(yīng)于四元正四方陣傳聲器陣列的方位角和俯仰角；步驟3利用計算得到的泄漏位置相鄰兩層的四元正四方陣傳聲器陣列的方位角和俯仰角，求得兩組泄漏位置解和方差；步驟4對所述兩組泄漏位置解和方差進行加權(quán)最小二乘法融合處理，得到雙基陣數(shù)據(jù)融合的泄漏定位解。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙基陣數(shù)據(jù)融合電站鍋爐四管泄漏被動聲測定位方法， 其特征是所述四元正四方陣傳聲器陣列的傳聲器包括緊固在傳聲器前面的前置放大器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙基陣數(shù)據(jù)融合電站鍋爐四管泄漏被動聲測定位方法， 其特征是所述計算泄漏位置對應(yīng)于四元正四方陣傳聲器陣列的方位角和俯仰角的具體方 法是 其中，口、θ、r分別表示泄漏位置的方位角、俯仰角和目標斜距；τ u表示傳聲器Mi到 Mj距泄漏源的時間遲延差，即Clij = SMi-SMj = c τ u，(Iij表示傳聲器Mi到Mj距泄漏源的距 離差，i = 1,2,3,4, j = 1，2，3，4 ;S表示泄漏源，c為聲速，L為四元正四方陣的特征尺寸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙基陣數(shù)據(jù)融合電站鍋爐四管泄漏被動聲測定位方法， 其特征是所述求得兩組泄漏位置解和方差的具體方法是 其中，Xl、yi、Zl，e工、釣、ri分別泄漏源在相鄰兩層的四元正四方陣傳聲器陣列中的一 層的直角坐標系和球坐標系位置；x2、y2、z2, 0 2、釣、r2分別泄漏源在相鄰兩層的四元正四 方陣傳聲器陣列中的另一層的直角坐標系和球坐標系位置；o表示相應(yīng)方差，o T表示時 間遲延估計測量誤差。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙基陣數(shù)據(jù)融合電站鍋爐四管泄漏被動聲測定位方 法，其特征是所述對所述兩組泄漏位置解和方差進行加權(quán)最小二乘法融合處理的具體方法 是 其中，Pi、P2分別為泄漏定位解&、&的方差，可^^^Tf]，(i，j = 1，2，-,m)為 kX k階矩陣，m為四元正四方陣傳聲器陣列的組數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了鍋爐承壓管泄漏監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域中的一種雙基陣數(shù)據(jù)融合電站鍋爐四管泄漏被動聲測定位方法，用于解決單個聲學(xué)基陣的探測范圍小、精度低、誤差大和難于實現(xiàn)的問題。方法包括在鍋爐內(nèi)布置多層測點，相鄰兩層傳聲器陣列組成雙基陣，每層傳聲器陣列由四元傳聲器構(gòu)成正四方陣；根據(jù)傳聲器陣列測得的數(shù)據(jù)，計算泄漏位置對應(yīng)于四元正四方陣傳聲器陣列的方位角和俯仰角；利用計算得到的泄漏位置相鄰兩層的四元正四方陣傳聲器陣列的方位角和俯仰角，求得相鄰兩組泄漏位置解和方差；對相鄰兩組泄漏位置解和方差進行加權(quán)最小二乘法融合處理，得到雙基陣的泄漏定位解。本發(fā)明利用陣列數(shù)據(jù)的冗余信息和陣列之間的相干性，實現(xiàn)鍋爐泄漏源的精確定位。
文檔編號F17D5/06GK101865361SQ201010198299
公開日2010年10月20日 申請日期2010年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月4日
發(fā)明者姜根山, 安連鎖, 沈國清, 王鵬 申請人:華北電力大學(xué)